JP5135628B2 - Oscillator and oscillator using the same - Google Patents

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Description

本発明は、MEMS技術を用いた発振子およびそれを用いた発振器に関するものである。   The present invention relates to an oscillator using MEMS technology and an oscillator using the same.

携帯電話等に代表される携帯情報端末機器等の種々の電子部品の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、この様な携帯情報端末機器には小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。
この要求を満足させるための代表的な電子部品が水晶振動子である。水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振子の品質の指標である共振先鋭度(即ちQ値)が極めて大きく、10000を超える事が知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広く水晶振動子が利用されている理由である。
しかし、この水晶振動子は、近年のより一層の小型化の要求を十分に満足させる事ができない事も明らかになってきている。
There is an increasing demand for miniaturization and high accuracy of various electronic components such as portable information terminal devices typified by cellular phones, etc., and such portable information terminal devices are small and stable high-frequency signal sources. Is indispensable.
A typical electronic component for satisfying this requirement is a crystal resonator. A quartz resonator is known to have a very high resonance sharpness (ie, Q value), which is an index of the quality of an oscillator, because of good crystal stability. This is the reason why crystal resonators are widely used as stable high-frequency signal sources for wireless portable devices and personal computers.
However, it has become clear that this quartz crystal resonator cannot sufficiently satisfy the recent demand for further downsizing.

そこで近年、水晶振動子の代わりに、シリコンを用いたMEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術により形成された振動子を用いた高Q値を有するマイクロスケール・メカニカル共振器が開発されている。このマイクロマシニングにおける最近の進歩は、通信及び時計(タイムキーパ)アプリケーションで用いられる高安定な発振器のサイズの縮小及びコストの低減を可能としている。
特に、シリコンで形成された表面マイクロメカニカル共振器として、10000を超えるQ値を有し、MF〜VHF周波数間にて発振可能であるICコンパチブルの発振器が多結晶シリコンを構造材料にて動作が実証されている(例えば、非特許文献1参照)。
Therefore, in recent years, a microscale mechanical resonator having a high Q value using a vibrator formed by MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) technology using silicon instead of a quartz vibrator has been developed. . Recent advances in micromachining have enabled the reduction in size and cost of highly stable oscillators used in communications and clock (timekeeper) applications.
In particular, as a surface micromechanical resonator made of silicon, an IC-compatible oscillator that has a Q value exceeding 10,000 and can oscillate between MF and VHF frequencies has been demonstrated to work with polycrystalline silicon as a structural material. (For example, refer nonpatent literature 1).

また、表面マイクロマニシング及び集積回路を組み合わせるプレーナ処理を用い、共振器及びこの発振を維持する周辺回路の全てがワンチップにて集積化されたマイクロメカニカル発振器も、高いQ値にて動作が実証されている(例えば、非特許文献2参照)。
C.T.-c.Nguyen, “Frequency-Selective MEMS for Miniaturized Low-Power Communication Devices (invited),” IEEE Trans. MICROWAVE THEORY TECH., Vol.47, No.8, pp.1486-1503, August 1999 C.T.-c.Nguyen and R.T.Howe, “An Integrated CMOS Micromechanical Resonator High-Q Oscillator,” IEEE SOLID-STATE CIRCUITS, Vol.34, No.4, pp.440-445, April 1999
A micromechanical oscillator in which the resonator and the peripheral circuits that maintain this oscillation are integrated on a single chip using planar processing combining surface micromachining and integrated circuits has also been demonstrated to operate at a high Q value. (For example, see Non-Patent Document 2).
CT-c.Nguyen, “Frequency-Selective MEMS for Miniaturized Low-Power Communication Devices (invited),” IEEE Trans. MICROWAVE THEORY TECH., Vol.47, No.8, pp.1486-1503, August 1999 CT-c.Nguyen and RTHowe, “An Integrated CMOS Micromechanical Resonator High-Q Oscillator,” IEEE SOLID-STATE CIRCUITS, Vol.34, No.4, pp.440-445, April 1999

しかしながら、上述したメカニカル発振器は、例えば図5に示すように、発振子32において、固定電極33a,33b(駆動用電極及び検出用電極)の凸部40a,40bと振動片36との対向部分には空隙を有し、振動片36の機械的寸法とヤング率及び密度で機械的な共振周波数が設定される。この空隙にて静電容量素子を形成している。
さらに、静電容量を形成する上記対向部分以外に、固定電極33a,33b、及び発振片36を振動可能とするよう発振片36の両端を固定する振動子アイランド34a,34bとにおける寄生容量が上記静電容量素子に合算し存在している。
したがって、メカニカル発振器は、例えば駆動用電極を固定電極33aとし、検出用電極を固定電極33bとすると、発振状態において、対向した検出用電極33bと振動子との距離の変化による容量変化を、検出用電極33bで検出して検出信号として取り出すことになるが、駆動信号が駆動用電極33aに印加された際に、駆動用電極33aから検出用電極33bへの上記寄生容量の増加分によるクロストークの増加を上記検出信号に含むこととなる。
However, in the above-described mechanical oscillator, for example, as illustrated in FIG. 5, in the resonator 32, the protrusions 40 a and 40 b of the fixed electrodes 33 a and 33 b (drive electrode and detection electrode) are opposed to the vibrating piece 36. Has a gap, and the mechanical resonance frequency is set by the mechanical dimension, Young's modulus and density of the resonator element 36. Capacitance elements are formed by these gaps.
Further, in addition to the opposing portions that form the capacitance, the parasitic capacitances in the fixed electrodes 33a and 33b and the vibrator islands 34a and 34b that fix both ends of the oscillation piece 36 so that the oscillation piece 36 can vibrate are described above. It is added to the capacitance element.
Therefore, in the mechanical oscillator, for example, when the driving electrode is the fixed electrode 33a and the detection electrode is the fixed electrode 33b, the capacitance change due to the change in the distance between the opposing detection electrode 33b and the vibrator is detected in the oscillation state. However, when the drive signal is applied to the drive electrode 33a, the crosstalk due to the increase in the parasitic capacitance from the drive electrode 33a to the detection electrode 33b is detected. Is included in the detection signal.

これにより、従来のメカニカル発振器は、発振駆動する際、寄生容量の影響が大きくQ値の低下を招くこととなり、安定的な発振が行えなくなる欠点を有している。
また、上述したように、同一基板上に他の回路を形成する場合、この他の回路が動作することにより、固定電極33a,33bと他の回路との間に存在する寄生容量の影響により、検出用電極33bを介して発振器の増幅回路に対する干渉が生じ、安定的な発振が行えなくなり、異常発振を起こす欠点を有している。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、メカニカル発振器における固定電極と振動子からなる発振子に対し、共振周波数を設定する容量結合以外の固定電極と振動子との寄生容量を抑制し、安定した発振を行う発振子及びそれを用いた発振器を提供することを目的とする。
As a result, the conventional mechanical oscillator has a drawback that when it is driven to oscillate, the influence of parasitic capacitance is large and the Q value is lowered, and stable oscillation cannot be performed.
In addition, as described above, when another circuit is formed on the same substrate, the operation of the other circuit causes the influence of the parasitic capacitance existing between the fixed electrodes 33a and 33b and the other circuit. Interference with the amplifier amplification circuit occurs through the detection electrode 33b, so that stable oscillation cannot be performed and abnormal oscillation occurs.
The present invention has been made in view of such circumstances, and the parasitic capacitance between the fixed electrode and the vibrator other than the capacitive coupling that sets the resonance frequency is determined with respect to the resonator composed of the fixed electrode and the vibrator in the mechanical oscillator. An object of the present invention is to provide an oscillator that suppresses and stably oscillates and an oscillator using the same.

本発明の発振子は、端部が固定されて長尺状に形成された振動子と、該振動子の長尺方向に対し垂直方向において、前記振動子と対向する対向部を有する固定電極と、前記固定電極と前記振動子との対向領域に設けられ、該対向部と振動子とが対向する部分に窓部を有するシールドとを有する。   The resonator according to the present invention includes a vibrator having an end fixed and a long shape, and a fixed electrode having a facing portion facing the vibrator in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the vibrator. And a shield provided in a region where the fixed electrode and the vibrator face each other and having a window portion at a portion where the facing portion faces the vibrator.

本発明の発振子は、前記シールドが前記窓部を除く前記固定電極の外周部全体に設けられていることを特徴とする。   In the resonator according to the aspect of the invention, the shield may be provided on the entire outer peripheral portion of the fixed electrode except for the window portion.

本発明の発振子は、前記シールドが前記窓部を除く前記振動子の外周部全体に設けられていることを特徴とする。   In the resonator according to the aspect of the invention, the shield may be provided on the entire outer peripheral portion of the vibrator excluding the window portion.

本発明の発振器は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の発振子と、該発振子の共振周波数にて発振して、発振信号を出力する発振回路とを有することを特徴とする。   An oscillator according to the present invention includes the resonator according to any one of claims 1 to 3 and an oscillation circuit that oscillates at a resonance frequency of the resonator and outputs an oscillation signal. .

本発明の発振器は、前記発振器のシールドに予め設定された電位が印加されていることを特徴とする。   The oscillator according to the present invention is characterized in that a preset potential is applied to the shield of the oscillator.

以上説明したように、本発明によれば、振動子と固定電極における対向部との部分のみが窓部として開放されたシールドを、振動子と固定電極との間に設けているため、共振周波数を設定する容量値を決定する部分のみが容量結合し、共振周波数の設定に寄与する上記対向部分以外おける電界を遮蔽するため、駆動信号による検出用電極にたいするクロストークの原因となる寄生容量の形成を抑制し、Q値の高い安定した発振子を提供することができる。
という効果が得られる。
As described above, according to the present invention, since the shield in which only the portion of the vibrator and the fixed electrode facing each other is opened as a window is provided between the vibrator and the fixed electrode, the resonance frequency Since only the portion that determines the capacitance value for setting the capacitance is capacitively coupled and shields the electric field other than the opposing portion that contributes to the setting of the resonance frequency, formation of parasitic capacitance that causes crosstalk to the detection electrode by the drive signal And a stable oscillator having a high Q value can be provided.
The effect is obtained.

また、本発明によれば、発振器の増幅回路に対する、同一基板上に形成された他の回路からの干渉が抑制され、異常発振などを防止して安定した発振器を提供することができる。
という効果が得られる。
Further, according to the present invention, interference from other circuits formed on the same substrate with respect to the amplifier circuit of the oscillator can be suppressed, and an abnormal oscillation can be prevented and a stable oscillator can be provided.
The effect is obtained.

以下、本発明の一実施形態による発振子を図面を参照して説明する。図1は同実施形態による発振子を用いた発振器の構成例を示す斜視図である。また、図2は図1の発振器を構成する発振子の構成を示すものであり、図2(a)が平面図であり、図2(b)が図1のA−A’線に沿う断面図である。図5の従来例と同様な構成には同一の符号を付してある。
なお、本実施形態では、携帯電話や携帯情報端末機器等の種々の電子部品に用いられる発振器として説明する。また、以下に示す各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を異ならせてある。
Hereinafter, an oscillator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of an oscillator using the resonator according to the embodiment. 2 shows the structure of the oscillator constituting the oscillator of FIG. 1, FIG. 2 (a) is a plan view, and FIG. 2 (b) is a cross section taken along the line AA 'of FIG. FIG. The same components as those in the conventional example of FIG.
In the present embodiment, an oscillator used for various electronic components such as a mobile phone and a portable information terminal device will be described. Moreover, in each figure shown below, in order to make each layer and each member the size which can be recognized on drawing, the scale is varied for each layer and each member.

図1において、発振子30は、シリコン支持層11と、二酸化珪素(SiO、以下、酸化膜)のBOX(Buried Oxide)層12と、シリコン活性層44とが順次積層された、いわゆるSOI(Silicon−On−Insulator)基板45を用いて半導体プロセス技術(例えば、MEMS技術)によって製造されるものである。
ただし、SOI基板45に限らず、シリコン等の半導体基板で発振子30を製造しても構わない。これらの層の内、シリコン活性層44にはシリコン支持層11の外周に沿って立ち上がるフレーム31と、このフレーム31の内側に配置された振動子32及び一対の固定電極33a,33bとが構成されている。固定電極33a,33b及び振動子32は上記シリコン(例えば、上記シリコン活性層44)などの導体にて上記BOX層12上に形成され、図示しないがワイヤボンディングする部分には電極(金属などの導体で形成)が形成されている。
本実施形態において、振動子32は振動片36が振動自在に両持ち梁にて構成されているが、一方が固定された片持ち梁(カンチレバー)の構成でも良い。
In FIG. 1, an oscillator 30 includes a silicon support layer 11, a BOX (Buried Oxide) layer 12 of silicon dioxide (SiO 2 , hereinafter referred to as an oxide film), and a so-called SOI (stacked SOI) layer. It is manufactured by a semiconductor process technology (for example, MEMS technology) using a silicon-on-insulator substrate 45.
However, the oscillator 30 may be manufactured not only with the SOI substrate 45 but also with a semiconductor substrate such as silicon. Among these layers, the silicon active layer 44 includes a frame 31 that rises along the outer periphery of the silicon support layer 11, and a vibrator 32 and a pair of fixed electrodes 33 a and 33 b disposed inside the frame 31. ing. The fixed electrodes 33a and 33b and the vibrator 32 are formed on the BOX layer 12 by a conductor such as silicon (for example, the silicon active layer 44). Formed).
In the present embodiment, the vibrator 32 is constituted by a double-supported beam so that the vibration piece 36 can freely vibrate. However, the vibrator 32 may have a cantilever structure in which one is fixed.

そして、上述したように、シリコン支持層11上に積層されたBOX層12上にIC基板20が載置され、発振子30の振動子36及び固定電極33a,33bとボンディングワイヤ52、53、55により、IC回路21における各電極パッドに電気的に接続されている。
本実施形態においては、シリコン支持層11を介してIC基板20と発振子30とが一体的にパッケージングされている。
As described above, the IC substrate 20 is placed on the BOX layer 12 laminated on the silicon support layer 11, and the vibrator 36 and the fixed electrodes 33 a and 33 b of the oscillator 30 and the bonding wires 52, 53 and 55 are mounted. Thus, the electrode pads of the IC circuit 21 are electrically connected.
In the present embodiment, the IC substrate 20 and the oscillator 30 are integrally packaged via the silicon support layer 11.

したがって、シリコン支持層11は、IC基板20も同時に支持する共通基板として機能する。なお、IC基板20はフレーム31に対して若干の隙間を空けた状態で載置されている。
また、図2(a)に示すように、振動子32は、平面視略I字状のものであり、振動子アイランド34a及び34b(ベース部)と、この振動子アイランド34a及び34bそれぞれに基端部35a及び35bを介して両持ち状に支持された振動片36とを備えている。
Accordingly, the silicon support layer 11 functions as a common substrate that also supports the IC substrate 20 at the same time. The IC substrate 20 is placed with a slight gap with respect to the frame 31.
As shown in FIG. 2A, the vibrator 32 has a substantially I shape in plan view, and is based on the vibrator islands 34a and 34b (base portion) and the vibrator islands 34a and 34b. And a vibrating piece 36 supported in a cantilever manner via end portions 35a and 35b.

振動子アイランド34a及び34bは、平面視矩形状のものであり、シリコン支持層11上にBOX層12を介して形成されている。この振動子アイランド34aは、上述したIC21の電極パッドとボンディングワイヤ53を介して電気的に接続されることにより、振動子32に予め設定された電圧が印加されるように構成されている。
振動片36は、振動部アイランド34a及び34bに、その基端部35a、35bそれぞれが支持されるとともに、振動子アイランド34aの長手方向に沿う側面34dに直交するX方向(一方向)に、振動子アイランド34bに対して延出しているものである。また、振動片36は、その下面36aとシリコン支持層11の上面11aとの間にギャップを有しつつ(図2(b)参照)延出しており、その延出方向(X方向)と直交するY方向(振動片36の幅方向(他方向))に振動可能に構成されている。
The vibrator islands 34 a and 34 b have a rectangular shape in plan view, and are formed on the silicon support layer 11 via the BOX layer 12. The vibrator island 34 a is configured so that a preset voltage is applied to the vibrator 32 by being electrically connected to the electrode pad of the IC 21 through the bonding wire 53.
The vibrating piece 36 is supported by the vibrating portion islands 34a and 34b at the base end portions 35a and 35b, and vibrates in the X direction (one direction) orthogonal to the side surface 34d along the longitudinal direction of the vibrator island 34a. It extends to the child island 34b. The vibrating piece 36 extends with a gap between the lower surface 36a and the upper surface 11a of the silicon support layer 11 (see FIG. 2B), and is orthogonal to the extending direction (X direction). Is configured to vibrate in the Y direction (the width direction (other direction) of the resonator element 36).

振動子32の両側方には、振動子の長尺方向に対して垂直方向に、振動子32に対してギャップdを空けた状態で、この振動子32を間に挟むように一対の固定電極部33a,33bが配置されている。一対の固定電極部33a,33bは、振動片36の幅方向に沿って形成されている。固定電極部33a,33b各々は、振動片36の長尺方向の側面41a,41bそれぞれに対して対向する凸部40a、40b(対向部)を備え、この凸部40a、40bと振動片36の対向している部分がギャップdの間隙を有している。ここで、側面41aが凸部40aが対向し、側面41bが凸部40bと対向している。振動片36両側の側面41a,41b各々と、凸部40a、40bの側面48a,48bとの対向するの幅及び高さ(対向面積)、及び上記ギャップdにより、振動子32及び凸部40a、40bによる静電容量素子の容量値が設定される。ここで、上記静電容量素子は、振動片36両側の側面41a,41b各々と、凸部40a、40bの側面48a,48bとの対向している領域を指している。   On both sides of the vibrator 32, a pair of fixed electrodes are sandwiched between the vibrators 32 in a state perpendicular to the longitudinal direction of the vibrator with a gap d between the vibrators 32. Parts 33a and 33b are arranged. The pair of fixed electrode portions 33 a and 33 b are formed along the width direction of the resonator element 36. Each of the fixed electrode portions 33 a and 33 b includes convex portions 40 a and 40 b (opposing portions) facing the side surfaces 41 a and 41 b in the longitudinal direction of the vibrating piece 36, and the protruding portions 40 a and 40 b and the vibrating piece 36 Opposing portions have a gap d. Here, the side surface 41a faces the convex portion 40a, and the side surface 41b faces the convex portion 40b. The vibrator 32 and the convex portions 40a, 40a, and 40b are formed according to the width and height (opposite area) of the side surfaces 41a and 41b on both sides of the vibrating piece 36 and the side surfaces 48a and 48b of the convex portions 40a and 40b. The capacitance value of the capacitive element by 40b is set. Here, the capacitance element indicates a region where the side surfaces 41a and 41b on both sides of the vibrating piece 36 are opposed to the side surfaces 48a and 48b of the convex portions 40a and 40b.

シールド50は導電体(例えば、アルミニウムなどの金属、あるいは不純物がドーピングされた多結晶シリコンなど)で形成された壁状の構造を有しており、振動子アイランド34a及び34bと、電極部33a,33bとの対向する間隙部分、すなわち振動子アイランド34a及び34bと、電極部33a,33bとが対向する領域に形成されている。このシールド50の固定電極及び振動子アイランド方向の厚さは、固定電極と振動子アイランドとの間隙より薄い。また、振動片36が振動する領域(すなわち、振動片36(基端部35a、35bを含む)と取凸部40a及び40bの対向している領域)以外、すなわちシールド50が形成される領域には酸化膜などの絶縁膜が、シールド50と、固定電極及び振動子アイランドとの間に形成されており、シールド50と固定電極及び振動子アイランドとは電気的に絶縁されている。   The shield 50 has a wall-like structure formed of a conductor (for example, a metal such as aluminum or polycrystalline silicon doped with impurities), and includes vibrator islands 34a and 34b, electrode portions 33a, A gap portion facing 33b, that is, a region where the transducer islands 34a and 34b and the electrode portions 33a and 33b face each other is formed. The thickness of the shield 50 in the direction of the fixed electrode and the transducer island is smaller than the gap between the fixed electrode and the transducer island. Further, in a region other than the region where the vibration piece 36 vibrates (that is, the region where the vibration piece 36 (including the base end portions 35a and 35b) and the projections 40a and 40b face each other), that is, the region where the shield 50 is formed. An insulating film such as an oxide film is formed between the shield 50 and the fixed electrode and the vibrator island, and the shield 50 and the fixed electrode and the vibrator island are electrically insulated.

ここで、振動片36の側面41a,41bと、凸部40a、40bの側面48a,48bとの対向する部分が、シールド50の窓として明けられている。このシールド50は電極51によりボンディングワイヤ54を介してIC21の電極パッドに電気的に接続され、低インピーダンスの電源などから予め設定された電圧が印加されている。これにより、シールド50が形成されている固定電極及び振動子アイランドとの間に生成される電界は遮蔽され、この領域における寄生容量を抑制することができる。この結果、例えば、固定電極33aを駆動用電極とし、固定電極33bを検出用電極とした場合、駆動用電極に振動片36を静電引力あるいは静電斥力により駆動させる駆動電圧が印加された際、この駆動電圧による電界を遮蔽するため、検出用電極に対する駆動電圧によるクロストークを低減させることができる。このシールド50に対して印加する電位については後述する。   Here, portions where the side surfaces 41 a and 41 b of the vibrating piece 36 and the side surfaces 48 a and 48 b of the convex portions 40 a and 40 b face each other are opened as a window of the shield 50. The shield 50 is electrically connected to the electrode pad of the IC 21 by the electrode 51 through the bonding wire 54, and a preset voltage is applied from a low impedance power source or the like. Thereby, the electric field generated between the fixed electrode on which the shield 50 is formed and the vibrator island is shielded, and the parasitic capacitance in this region can be suppressed. As a result, for example, when the fixed electrode 33a is used as a driving electrode and the fixed electrode 33b is used as a detection electrode, a driving voltage for driving the vibrating piece 36 by electrostatic attraction or electrostatic repulsion is applied to the driving electrode. Since the electric field due to the drive voltage is shielded, crosstalk due to the drive voltage with respect to the detection electrode can be reduced. The potential applied to the shield 50 will be described later.

また、シールド50は図2(a)に示すように、部分シールド50aとして振動子アイランド34a及び34bと、固定電極部33a,33bとの対向する領域の間隙に形成するパターン1の構成がある。
また、部分シールド50a及び部分シールド50bの組合せとして、凸部40a、40bの側面48a,48bの部分が窓として明けられている部分を除き、電極部33a,33b全体を囲むパターン2の構成がある。
また、部分シールド50a、部分シールド50b及び部分シールド50cの組合せとして、側面48a,48bの部分が窓として明けられている部分を除き、電極部33a,33b及び振動子アイランド34a及び34bを囲むパターン3の構成がある。
Further, as shown in FIG. 2A, the shield 50 has a pattern 1 configuration formed as a partial shield 50a in a gap between regions where the transducer islands 34a and 34b and the fixed electrode portions 33a and 33b face each other.
Further, as a combination of the partial shield 50a and the partial shield 50b, there is a configuration of a pattern 2 that surrounds the entire electrode portions 33a and 33b except for portions where the side surfaces 48a and 48b of the convex portions 40a and 40b are opened as windows. .
Further, as a combination of the partial shield 50a, the partial shield 50b, and the partial shield 50c, the pattern 3 surrounding the electrode portions 33a and 33b and the transducer islands 34a and 34b, except for the portions where the side surfaces 48a and 48b are opened as windows. There is a configuration.

上述したパターン1からパターン3の構成のいずれを用いても良いが、パターン1、パターン2、パターン3によりクロストークに対する抑制効果が異なる。
例えば、固定電極33aが振動片36の駆動用電極とし、固定電極33bを振動片36の振動を検出する検出用電極とした場合にて説明する。
発振器10において、IC21の発振回路(後述)が検出用電極33bにて検出した振動片36の振動を検出し、その検出した電圧をIC21の発振回路(における増幅回路)が増幅し、駆動用電極33aに駆動電圧を印加し、バイアス電圧によりバイアスされている振動片36を静電引力及び静電斥力により駆動する。
このとき、駆動用電極33aに印加された電圧により、駆動用電極33aと容量結合している(寄生容量を有している)振動子アイランド34a及び34bと検出用電極33bとに対してクロストークが発生し、不安定な発振状態に陥る。
Any of the configurations of the pattern 1 to the pattern 3 described above may be used, but the effect of suppressing the crosstalk differs depending on the patterns 1, 2, and 3.
For example, the case where the fixed electrode 33a is a drive electrode for the vibrating piece 36 and the fixed electrode 33b is a detection electrode for detecting the vibration of the vibrating piece 36 will be described.
In the oscillator 10, an oscillation circuit (described later) of the IC 21 detects the vibration of the vibrating piece 36 detected by the detection electrode 33b, and the oscillation voltage of the IC 21 (amplifier circuit in the IC 21) amplifies the detected voltage. A drive voltage is applied to 33a, and the vibrating piece 36 biased by the bias voltage is driven by electrostatic attraction and electrostatic repulsion.
At this time, the voltage applied to the drive electrode 33a is crosstalked with respect to the transducer islands 34a and 34b capacitively coupled to the drive electrode 33a (having parasitic capacitance) and the detection electrode 33b. Will occur, resulting in an unstable oscillation state.

しかしながら、本実施形態においては、パターン1のシールドを採用しているため、駆動用電極33aと振動子アイランド34a及び34bとの対向部分、振動子アイランド34a及び34bと検出用電極33bとの対向部分における電界が遮蔽され、最も大きな容量結合が抑制されるので、クロストークを従来に比較して低減させることができる。
また、パターン2のシールドを採用した場合、駆動用電極33aから振動子アイランド34a及び34bと検出用電極33bとに対し、シールド50aを回り込み、振動子アイランド34a及び34bと検出用電極33bに達する電界を遮蔽することができ、かつ外部回路(IC21等)からの電界をも遮蔽することができ、パターン1に対してよりクロストークを抑制することができる。
また、パターン3のシールドを採用した場合、パターン2に加えて、振動子アイランド34a及び34bに対する上記外部回路からの電界を遮蔽することができ、パターン1及び2に対してよりクロストークを抑制することができる。
However, in the present embodiment, since the shield of the pattern 1 is adopted, the facing portion between the driving electrode 33a and the transducer islands 34a and 34b, and the facing portion between the transducer islands 34a and 34b and the detection electrode 33b. Since the electric field is shielded and the largest capacitive coupling is suppressed, the crosstalk can be reduced as compared with the conventional case.
When the shield of the pattern 2 is employed, the electric field that reaches the transducer islands 34a and 34b and the detection electrode 33b from the drive electrode 33a to the transducer islands 34a and 34b and the detection electrode 33b through the shield 50a. Can be shielded, and an electric field from an external circuit (IC21 or the like) can be shielded, and crosstalk can be further suppressed with respect to the pattern 1.
When the shield of the pattern 3 is adopted, the electric field from the external circuit to the vibrator islands 34 a and 34 b can be shielded in addition to the pattern 2, and the crosstalk is further suppressed with respect to the patterns 1 and 2. be able to.

また、固定電極部33a,33bは、すでに述べたように、シリコン支持層11上にBOX層12を介して形成されており、その側面48a,48bが、振動片36の側面41a、41bに対して平行にギャップdを有しつつ、振動子32の側方を囲むように形成されている。
なお、発振器10には、通常、発振子30におけるフレーム31の内側を真空状態に維持するため、発振子30を覆うように封止基板が設けられるが、本実施形態の各図においては、説明をわかり易くするため、本実施形態においては封着基板の記載を省略する。
Further, as already described, the fixed electrode portions 33a and 33b are formed on the silicon support layer 11 with the BOX layer 12 interposed therebetween, and the side surfaces 48a and 48b thereof correspond to the side surfaces 41a and 41b of the resonator element 36. The gap 32 is formed so as to surround the side of the vibrator 32 while having a gap d in parallel.
The oscillator 10 is usually provided with a sealing substrate so as to cover the oscillator 30 in order to maintain the inside of the frame 31 of the oscillator 30 in a vacuum state. In this embodiment, the description of the sealing substrate is omitted.

次に、本実施形態の発振器10の動作について、図1及び図3を用いて説明する。
以下において、固定電極33aが振動片36の駆動用電極とし、固定電極33bを振動片36の振動を検出する検出用電極とした場合にて説明するが、固定電極33a、33bいずれを検出用電極、駆動用電極としても良い。
発振回路22は、インバータB1、B2、B3と、負荷抵抗R1、R2、R3と、コンデンサC1、C2とから構成されている。
Next, the operation of the oscillator 10 of this embodiment will be described with reference to FIGS.
In the following description, the fixed electrode 33a is used as a drive electrode for the vibrating piece 36, and the fixed electrode 33b is used as a detection electrode for detecting vibration of the vibrating piece 36. However, either of the fixed electrodes 33a and 33b is used as a detection electrode. A drive electrode may be used.
The oscillation circuit 22 includes inverters B1, B2, and B3, load resistors R1, R2, and R3, and capacitors C1 and C2.

インバータB1、B2及びB3は、インバータB1及びB2の間にコンデンサC1を、インバータB2及びB3の間にコンデンサC2を、直流成分カット用の容量として各々介挿し、直列に接続されている。また、負荷抵抗R1、R2、R3各々は、インバータB1、B2、B3それぞれに並列に接続されている。
インバータB3の入力端子が発振回路22の入力となり、インバータB1の出力端子が発振回路22の出力となり、発振周波数にて正帰還をかける。
発振回路22の出力は駆動用電極33aにワイヤボンディング52を介して接続され、発振回路22の入力は検出用電極33bにワイヤボンディング55を介して接続されている。
The inverters B1, B2, and B3 are connected in series by inserting a capacitor C1 between the inverters B1 and B2 and a capacitor C2 between the inverters B2 and B3 as a DC component cutting capacitor. The load resistors R1, R2, and R3 are connected in parallel to the inverters B1, B2, and B3, respectively.
The input terminal of the inverter B3 becomes the input of the oscillation circuit 22, the output terminal of the inverter B1 becomes the output of the oscillation circuit 22, and positive feedback is applied at the oscillation frequency.
The output of the oscillation circuit 22 is connected to the drive electrode 33a via the wire bonding 52, and the input of the oscillation circuit 22 is connected to the detection electrode 33b via the wire bonding 55.

まず、図3にIC21内に形成されている発振回路22を示す、図示しない外部電源から電気回路を介してIC21に電圧を印加し、制御信号を入力する。
これにより、IC21は、制御信号に対応して、ボンディングワイヤ53を介して振動子32に対してバイアス電圧Vbを印加する。
この結果、発振回路22は、固定電極部33a及び33b間において、両者の間の振動片36の不安定状態により検出用電極33bに発生する微少な電圧の揺らぎを増幅し、増幅した電圧を駆動用電極33aに印加し、正帰還をかけることで、機械的な共振部にて透過した周波数が数m秒にて発振状態となっていく。
First, a voltage is applied to the IC 21 via an electric circuit from an external power source (not shown), which shows the oscillation circuit 22 formed in the IC 21 in FIG. 3, and a control signal is input.
Accordingly, the IC 21 applies the bias voltage Vb to the vibrator 32 via the bonding wire 53 in response to the control signal.
As a result, the oscillation circuit 22 amplifies a minute voltage fluctuation generated in the detection electrode 33b due to the unstable state of the vibrating piece 36 between the fixed electrode portions 33a and 33b, and drives the amplified voltage. By applying a positive feedback to the application electrode 33a, the frequency transmitted through the mechanical resonance portion becomes an oscillation state in several milliseconds.

継続的な発振が開始されると、安定した駆動電圧が駆動用電極33aに印加され、振動片36との間に静電引力あるいは斥力が交互に発生する。
その結果、振動片36が、Y方向(振動片36の長尺方向に対して垂直方向)、つまり振動子36の両側方にギャップdを介して配置された一対の固定電極部33a,33b各々の凸部40a,40bに接近離間するように振動することとなる。ここで、振動片36は上記駆動電圧により、凸部40aとの間に生じる静電引力及び斥力により振動する。
振動片36が振動すると、振動片36と電極部33bとの間のギャップが変化し、振動片36と検出用電極33bとの間の静電容量素子の静電容量が変化する。そして、発振回路22は、その静電容量素子の静電容量の変化を電圧変化として検出用電極33bにより検出し、その検出した電圧を検出信号として入力し、この検出信号の電圧を増幅して位相を180°ずらして駆動用電極33aに対して駆動電圧として出力する。
When continuous oscillation is started, a stable drive voltage is applied to the drive electrode 33 a, and electrostatic attractive force or repulsive force is alternately generated between the vibrating piece 36.
As a result, each of the pair of fixed electrode portions 33a and 33b disposed in the Y direction (perpendicular to the longitudinal direction of the vibration piece 36), that is, on both sides of the vibrator 36 via the gap d is obtained as the vibration piece 36. It will vibrate so that it may approach and separate from the convex parts 40a and 40b. Here, the vibration piece 36 vibrates due to the electrostatic attraction and repulsion generated between the vibration piece 36 and the convex portion 40a by the driving voltage.
When the vibrating piece 36 vibrates, the gap between the vibrating piece 36 and the electrode portion 33b changes, and the capacitance of the capacitive element between the vibrating piece 36 and the detection electrode 33b changes. Then, the oscillation circuit 22 detects the change in capacitance of the capacitance element as a voltage change by the detection electrode 33b, inputs the detected voltage as a detection signal, and amplifies the voltage of the detection signal. The phase is shifted by 180 ° and output as a drive voltage to the drive electrode 33a.

このとき、シールド50に対して、電圧を印加するが図4に示すようにこの構成として、図4(a)の場合、IC21を駆動するグランド(VS)あるいは駆動電源(Vdd)などのインピーダンスの低い電源へ接続し、図4(b)の場合、振動子32に印加する電圧Vbのインピーダンスの低い電源へ直接に接続し、図4(c)の場合、検出用電極33bの電圧を増幅器B4により電力増幅(1倍の電圧増幅)を行い、シールド40に出力させる構成がある。
図4において、バイアス電圧の電源と振動子アイランド34aとの間に介挿されているインピーダンス素子200は、例えば抵抗またはインダクタであり、振動子32に対して大電流の流入及び流出を防止するための電流量を制御するために設けられている。図4(c)の場合、上記インピーダンス素子200を介さず、直接にバイアスVbを出力する電源に、シールド50を接続する。
At this time, a voltage is applied to the shield 50. As shown in FIG. 4, in this case, as shown in FIG. 4, in the case of FIG. 4A, the impedance of the ground (VS) or drive power supply (Vdd) for driving the IC 21 is obtained. In the case of FIG. 4B, it is directly connected to a power source having a low impedance of the voltage Vb applied to the vibrator 32, and in the case of FIG. 4C, the voltage of the detection electrode 33b is connected to the amplifier B4. Thus, there is a configuration in which power amplification (single voltage amplification) is performed and output to the shield 40.
In FIG. 4, the impedance element 200 inserted between the power source of the bias voltage and the vibrator island 34 a is, for example, a resistor or an inductor, and prevents inflow and outflow of a large current from the vibrator 32. Is provided to control the amount of current. In the case of FIG. 4C, the shield 50 is connected to a power source that directly outputs the bias Vb without passing through the impedance element 200.

上述したように、本実施形態においては、シールド50の構成がパターン1、パターン2及びパターン3の場合、駆動用電極33aから振動子32及び検出用電極33bに対する駆動電圧による電界を遮蔽し、共振周波数を決定する結合容量以外の結合容量(寄生容量)を低減することができ、駆動用電極33aに印加される駆動用電圧に比較し、より低い検出用電極33bにて検出される電圧に対する影響を抑制することができる。例えば、駆動用電極33aに印加される駆動電圧は数Vであり、検出用電極33bにて検出される電圧は数mVである。
さらに、シールド50の構成がパターン2及びパターン3の場合、IC21の発振回路22を含めた回路の駆動による、検出用電極にて検出される電圧への影響をも抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, when the configuration of the shield 50 is the pattern 1, the pattern 2, and the pattern 3, the electric field due to the driving voltage from the driving electrode 33a to the vibrator 32 and the detection electrode 33b is shielded, and the resonance The coupling capacitance (parasitic capacitance) other than the coupling capacitance that determines the frequency can be reduced, and the influence on the voltage detected by the lower detection electrode 33b compared to the drive voltage applied to the drive electrode 33a. Can be suppressed. For example, the drive voltage applied to the drive electrode 33a is several volts, and the voltage detected by the detection electrode 33b is several mV.
Further, when the configuration of the shield 50 is the pattern 2 and the pattern 3, the influence on the voltage detected by the detection electrode due to the driving of the circuit including the oscillation circuit 22 of the IC 21 can be suppressed.

本発明の一実施形態による発振器10の構成例を示す斜視図である。1 is a perspective view illustrating a configuration example of an oscillator 10 according to an embodiment of the present invention. 図1における発振子30の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of an oscillator 30 in FIG. 1. 本実施形態の発振子30を用いた発振器10の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration example of an oscillator 10 using an oscillator 30 of the present embodiment. 発振子30におけるシールド50に対して電圧を印加する構成例を示す概念図である。3 is a conceptual diagram illustrating a configuration example in which a voltage is applied to a shield 50 in an oscillator 30. FIG. 従来の発振子30の構成を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a configuration of a conventional oscillator 30.

符号の説明Explanation of symbols

11…シリコン支持層
12…BOX層
20…IC基板
21…IC
22…発振回路
30…発振子
31…フレーム
32…振動子
33a,33b…固定用電極
34a,34b…振動子アイランド
35a,35b…基端部
36…振動片
40a,40b…凸部
41a,41b,48a,48b…側面
45…SOI基板
50…シールド
51…電極
52,53,54,55…ボンディングワイヤ
200…インピーダンス素子
B1,B2,B3…インバータ
B4…バッファ
C1,C2…コンデンサ
11 ... Silicon support layer 12 ... BOX layer 20 ... IC substrate 21 ... IC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 22 ... Oscillator circuit 30 ... Oscillator 31 ... Frame 32 ... Vibrator 33a, 33b ... Fixing electrode 34a, 34b ... Vibrator island 35a, 35b ... Base end part 36 ... Vibrating piece 40a, 40b ... Protrusion part 41a, 41b, 48a, 48b ... side face 45 ... SOI substrate 50 ... shield 51 ... electrode 52, 53, 54, 55 ... bonding wire 200 ... impedance element B1, B2, B3 ... inverter B4 ... buffer C1, C2 ... capacitor

Claims (5)

振動片の端部が固定された長尺状である振動子と、
該振動子の長尺方向に対する垂直方向において、前記振動子と対向するように設けられ、当該振動子のうち前記振動片と対向する対向部を有する固定電極と、
前記固定電極と前記振動との対向領域に設けられ、前記対向部と前記振動片とが対向する部分に窓部を有するシールドと
を有する発振子。
An elongated vibrator in which the end of the vibrating piece is fixed;
A fixed electrode that is provided to face the vibrator in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the vibrator and has a facing portion that faces the vibrating piece of the vibrator;
Wherein the fixed electrode is provided on the region opposed to the said oscillator, oscillator and the counter portion and the vibrating piece and a shield having a window portion at a portion facing.
前記シールドが前記窓部を除く前記固定電極の外周部全体に設けられていることを特徴とする請求項1記載の発振子。   The oscillator according to claim 1, wherein the shield is provided on the entire outer peripheral portion of the fixed electrode except for the window portion. 前記シールドが前記窓部を除く前記振動子の外周部全体に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発振子。   The oscillator according to claim 1, wherein the shield is provided on an entire outer peripheral portion of the vibrator excluding the window portion. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の発振子と、
該発振子の共振周波数にて発振して、発振信号を出力する発振回路と
を有することを特徴とする発振器。
The oscillator according to any one of claims 1 to 3,
And an oscillation circuit that oscillates at the resonance frequency of the resonator and outputs an oscillation signal.
前記発振器のシールドに予め設定された電位が印加されていることを特徴とする請求項4記載の発振器。   The oscillator according to claim 4, wherein a preset potential is applied to the shield of the oscillator.
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